Hace menos de 20 años, el mundo aprendió que el universo se está expandiendo cada vez más rápido, impulsado por la energía oscura. El descubrimiento fue posible gracias a las supernovas Tipo Ia; extraordinariamente brillantes y notablemente similares en brillo, sirven como "velas estándar" esenciales parainvestigando la historia del universo.
De hecho, las supernovas Tipo Ia están lejos de ser estándar. El polvo que interviene puede enrojecerlas y atenuarlas, y la física de sus explosiones termonucleares difiere: una sola enana blanca una estrella del tamaño de la Tierra tan masiva como nuestro sol puede explotar despuésTomar prestada masa de una estrella compañera, o dos enanas blancas en órbita pueden colisionar y explotar. Estos "Ia" normales pueden variar en brillo hasta en un 40 por ciento. La dispersión del brillo puede reducirse mediante métodos bien probados, pero la cosmología continúa siendohecho con catálogos de supernovas que pueden diferir en brillo hasta en un 15 por ciento.
Ahora, los miembros de la fábrica internacional de supernovas cercanas SNfactory, con sede en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos Berkeley Lab, han reducido drásticamente la dispersión en el brillo de las supernovas. Mediante una muestra de casi 50 supernovas cercanas, identificarongemelos de supernova, pares cuyos espectros están estrechamente relacionados, lo que redujo su dispersión de brillo a un mero ocho por ciento. La distancia a estas supernovas se puede medir aproximadamente el doble de precisión que antes.
Los resultados de SNfactory se informan en "Mejora de las mediciones de distancia cosmológica utilizando supernovas gemelas de tipo Ia", aceptado para su publicación por el Revista astrofísica ApJ y disponible en línea en http://arxiv.org/abs/1511.01102 .
Comparación de manzanas con manzanas
"En lugar de concentrarse en lo que está causando las diferencias entre las supernovas, el enfoque de los gemelos de supernova es mirar los espectros y buscar las mejores coincidencias, para comparar lo similar con lo similar", dice Greg Aldering, el cosmólogo de Berkeley Lab que dirigeSNfactory: "La suposición que probamos es que si dos supernovas se ven iguales, probablemente sean iguales"
Hannah Fakhouri, autora principal del artículo de ApJ, inició el estudio de gemelos para su tesis doctoral. Ella dice que las ventajas teóricas de un emparejamiento de gemelos habían sido discutidas durante mucho tiempo en Berkeley Lab; para los investigadores que fundaron el SNfactory,incluyendo a su asesor de tesis, el premio Nobel Saul Perlmutter, uno de los objetivos principales era reunir un conjunto de datos de calidad suficiente para probar hipótesis como el hermanamiento de supernovas.
El tiempo de Fakhouri fue bueno; pudo aprovechar la espectrofotometría precisa, medidas simultáneas de espectros y brillo, de numerosos tipos cercanos de Ia, recolectados utilizando el espectrógrafo de campo integral SuperNova de SNfactory SNIFS en la Universidad de Hawai 2.2-metro telescopio en Mauna Kea.
"Cercano" es relativo; algunas supernovas de SNfactory están a más de mil millones de años luz de distancia. Pero todas producen mediciones más completas y detalladas que las supernovas realmente distantes también necesarias para la cosmología. El estudio gemelo utilizó datos de los primeros años de la SNfactoryobservaciones; el trabajo posterior utilizará cientos de espectros de Tipo Ia de alta calidad de SNfactory, hasta ahora la única gran base de datos en el mundo que se puede utilizar para este trabajo.
A pesar de los sorprendentes resultados, Fakhouri describe la investigación inicial como "un largo trabajo", que requiere mucho trabajo y atención al detalle. Un desafío fue hacer comparaciones justas de series de tiempo, en las que los espectros se toman a intervalos frecuentes a medida que una supernova alcanza el máximoluminosidad, luego se desvanece lentamente; diferentes colores longitudes de onda se iluminan y se desvanecen a diferentes velocidades.
Debido a la demanda de tiempo del telescopio y otros problemas como el clima, las series temporales de diferentes supernovas no se pueden muestrear de manera uniforme. El miembro de SNfactory, Rollin Thomas, del Centro de Cosmología Computacional de Berkeley Lab, recomendó un procedimiento matemático llamado Regresión del Proceso Gaussiano para llenar elFakhouri dice que el resultado "fue un gran avance"
La limpieza de los espectros y la clasificación de las supernovas para el gemelo se realizó completamente "a ciegas"; los investigadores no tenían información sobre las supernovas excepto sus espectros. "El proceso de cegamiento fue de suspenso", dice Fakhouri. "Podríamos haber encontrado que el hermanamientofue completamente inútil ". El resultado fue un alivio: cuanto más cerca estaban los espectros de los gemelos, más cerca estaban sus brillos.
El resultado sugiere fuertemente que la incertidumbre del 15 por ciento ampliamente aceptada en el brillo del Tipo Ia no es meramente estadística; enmascara diferencias reales pero desconocidas en la naturaleza de las supernovas mismas. La reducción dramática de la dispersión del brillo del método gemelo sugiere que las incógnitas ocultassobre los procesos de explosión física de los gemelos también se han reducido severamente, un gran paso hacia el uso de supernovas como verdaderas velas estándar.
Lo mejor del grupo
Cuando Fakhouri recibió su doctorado, el estudiante graduado Kyle Boone, segundo autor del artículo de ApJ, se hizo cargo de los pasos finales del análisis. "Comencé comparando el método gemelo con otros métodos para reducir la dispersión en el brillo".
El enfoque convencional ha sido ajustar una curva a través de una serie de puntos de datos de brillo versus tiempo: una curva de luz. Los atenuadores de tipo Ia tienen curvas de luz más estrechas y son más rojas; este hecho se utiliza para "estandarizar" supernovas, es decir, para ajustarsus brillos a un sistema común.
El método gemelo, dice Boone, "supera el método de la curva de luz sin siquiera intentarlo. Además, descubrimos que esto se puede hacer con un solo espectro: no se necesita una curva de luz completa".
Otros métodos recientes son más sutiles y detallados, pero todos tienen inconvenientes en comparación con el hermanamiento. "La técnica principal de la competencia da excelentes resultados pero depende de las longitudes de onda en el infrarrojo cercano, donde la dispersión del brillo inicial es mucho menor", dice Boone."Eso será difícil de usar con supernovas distantes, cuyo alto desplazamiento al rojo hace que las longitudes de onda del infrarrojo cercano sean inaccesibles".
Fakhouri dice: "Las supernovas ofrecen ventajas únicas para la cosmología, pero necesitamos múltiples técnicas", incluidos los métodos estadísticos que muestran cómo la energía oscura ha moldeado la estructura del universo ". Lo mejor de la naturaleza es que proporciona diferentes tipos de sondas quese pueden desacoplar uno del otro "
Las supernovas son un activo singular, señala Aldering: "Las supernovas encontraron energía oscura y aún proporcionan las restricciones más fuertes sobre las propiedades de energía oscura".
Dice Boone, "Estamos trabajando para ver qué tan bien se puede aplicar la tecnología de gemelos a una muestra muy grande de supernovas bien caracterizadas y de alto desplazamiento al rojo que un telescopio espacial como WFIRST podría proporcionar". La NASA planea lanzar WFIRST, elTelescopio de reconocimiento infrarrojo de campo amplio, a mediados de la década de 2020. Entre otras investigaciones, capturará los espectros de muchos miles de supernovas distantes de tipo Ia.
Cuando se basa en una muestra de referencia de supernovas bien medidas, lo suficientemente grande como para que cada nueva supernova encuentre su gemelo perfecto, la tecnología de supernova gemela podría conducir a medidas precisas del efecto de la energía oscura en el universo durante los últimos 10 mil millones de años.en el espacio y el tiempo así etiquetados será un hito preciso en el viaje que condujo al universo en el que vivimos hoy.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Paul Preuss. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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